بررسی توپولوژی های منبع تغذیه برای گیت درایوهای IGBT در درایوهای صنعتی (بخش۲)

0
17
بررسی توپولوژی های منبع تغذیه برای گیت درایوهای IGBT در درایوهای صنعتی (بخش۲)
بررسی توپولوژی های منبع تغذیه برای گیت درایوهای IGBT در درایوهای صنعتی (بخش۲)

 

در بخش ۱ توضیحات اولیه بیان گردید. در این بخش به جزئيات بیشتری از توپولوژي ها خواهیم پرداخت.

آرایش های منابع تغذیه در درایور های صنعتی

درایو سرعت متغیر(VSD) شامل بخش قدرت، کنترل کننده، I / O کاربر، قسمت نمایشگر و بلوک های ارتباطی است. بخش قدرت شامل یک یکسو کننده، یک لینک DC، محدود کننده جریان Inrush و اینورتر مبتنی بر IGBT است. منبع تغذیه اصلی (به شکل زیر مراجعه شود)، به طور مستقیم از طریق منبع تغذیه مستقیم یا از طریق لینک DC، برای تولید سطح های ولتاژ چندگانه مورد نیاز برای بهره برداری از همه بخش های الکترونیکی کنترل درایو از جمله درایو گیت IGBT استفاده می شود. در بخش های قبل، بینش هایی در مورد “چه تعداد” و “چه اندازه (دامنه)” سطح ولتاژ برای توان درایو گیت IGBT در سناریوهای مختلف ارائه گردید.

آرایش های منابع تغذیه در درایور های صنعتی

بسته به منبع تغذیه مبدل DC / DC (منبع تغذیه اصلی) و سطح ولتاژ خروجی آن، ممکن است گزینه های متعددی برای تولید ولتاژ درایور گیت وجود داشته باشد.

پیکربندی ۱

در این پیکربندی، منبع تغذیه درایور گیت IGBT از سطح ولتاژی + ۲۴ ولت از منبع اصلی ساخته شده است و در شکل زیر نمایش داده شده است. منبع تغذیه درایو گیت می تواند توپولوژی Flyback یا توپولوژی Flybuck™ یا Push-pull یا Half-bridge. باشد. خروجی درایور گیت ایزوله شده از منبع تغذیه درایو گیت می تواند سطح های ۱۵ یا ۸-و۱۵ ولت باشد تا بتوانند درایورهای گیت را تغذیه کند.

پیکربندی ۱
IGBT

پیکربندی ۲

شکل زیر یک پیکربندی دیگر را نشان می دهد که در آن تمام سطح ها (از جمله سطح ها برای درایور گیت های IGBT) با استفاده از منبع تغذیه اصلی تولید می شوند. به این معنی است که این پیکربندی در مقایسه با پیکربندی – ۱ دارای مزیت هزینه ای است. در چنین مواردی توپولوژی منبع تغذیه می تواند Flyback باشد.

پیکربندی ۲

پیکربندی ۳

این احتمال وجود دارد که منبع تغذیه اصلی به جای ولتاژ لینک DC، از منبع تغذیه ۲۴ ولت خارجی به جای لینک ولتاژ DC تامین شود.(به شکل زیر مراجعه شود). این پیکربندی یک ترانسفورماتور مشابه شبیه به پیکربندی ۲ برای تولید تمام سطح ها (از جمله سطح ها برای درایور گیت های IGBT) استفاده می کند. توپولوژی منبع تغذیه می تواند Flyback یا Flybuck باشد.

پیکربندی ۳

انتخاب توپولوژی برای منبع تغذیه درایور گیت

بخش زیر توضیح می دهد که برخی از معیارهای طراحی مهم برای انتخاب توپولوژی برای منابع تغذیه درایور گیت IGBT در نظر گرفته شده است.

رگوله کردن ورودی منابع موجود

خروجی منبع تغذیه گیت درایور IGBT نیاز به رگوله شدن دقیقی دارد. رگولاسیون ورودی منبع ولتاژ منبع تغذیه برای تامین منبع تغذیه گیت، ضرورت داشتن توپولوژی فیدبک – حلقه باز یا حلقه بسته را تعیین می کند. اگر منبع ورودی رگوله شده باشد، پس منبع تغذیه درایو بدون فیدبک می تواند خروجی قابل تنظیم داشته باشد. توپولوژی های احتمالی می توانند پوش پول و نیم پل باشد. اگر منبع ورودی رگوله نشده باشد (یا از منبع خارجی که رگولاسیون آن شناخته نشده است) باشد، توپولوژی با فیدبک برای این سناریوها مناسب تر است.

نوع کنترل کننده PWM

با الزامات ایزوله کردن تقویت شده (reinforced isolation)، فیدبک‏های اپتیکی به طور معمول توصیه نمی شود. کنترل کننده Flyback Primary Side regulated مقرون به صرفه هستند و نیاز به استفاده از opto-couplers و دیگر مدارهای فیدبک را از بین می برد.

ایزولاسیون و ایجاد فاصله

برای هر درایو موتور صنعتی، از جداسازی(ایزولاسیون) ولتاژی مدار ورودی (کم ولتاژ) و مدار خروجی (ولتاژ بالا) باید اطمینان حاصل شود. سطوح ایزولاسیون براساس درجه آلودگی (Pollution)، طبقه بندی Overvoltage و سیستم زمین تغذیه انتخاب می شوند. بسته به کاربرد، استانداردهای مربوطه برای فواصل clearance و creepage باید مورد توجه قرار گیرد و همچنین مطابق با ولتاژ آزمون باشد. یک استاندارد معمول برای موتورهای درایو مشاهده شده IEC 61800-5 است. سطح ایزولاسیون – ” Reinforced” یا ” Functional”، طراحی ترانسفورماتور را تعیین می کند. Creepage، Clearances، تعداد پین های ترانسفورماتور – همه در طراحی ترانسفورماتور نقش مهمی ایفا می کنند. ایزولاسیون Reinforced موجب بزرگتر شدن ترانسفورماتورها و لازم داشتن فضای بیشتری روی برد نسبت به ایزولاسیون Functional دارد.

ایزولاسیون Functional – تک ترانسفورماتور

ایزولاسیون Functional یک ایزولاسیون بین قطعات رسانا درون یک مدار است که برای عملکرد مناسب مدار ضروری است اما حفاظت در مقابل شوک الکتریکی را فراهم نمی کند. ملزومات ایزولاسیون Functional به صورت زیر تعیین می شود:
• clearance بین اولیه و ثانویه = ۳٫۲ میلیمتر
•clearance بین ۱Secondary تا ۲Secondary = 2.2 میلیمتر
• فاصله Creepage = 4 میلیمتر
با توجه به این پارامترها، اندازه برد می تواند بسیار کوچک باشد. یکی از نمونه های طراحی با ایزولاسیون پایه ای TIDA-00199 است که طرح آن در شکل زیر آمده است:

ایزولاسیون Functional – تک ترانسفورماتور
ایزولاسیون Functional – تک ترانسفورماتور
ایزولاسیون Reinforced – تک ترانسفورماتور

بر اساس الزامات ایزولاسیون Reinforced ، clearance و creepage به صورت زیر تعریف می شود:
• ایزولاسیون اولیه تا ثانویه = ۷٫۴ کیلو ولت ولتاژ ضربه ۵۰/۱٫۲ میکروثانیه
• ولتاژ Type test: اولیه به ثانویه = ۳٫۶kVrms، Secondary1 به Secondary2 برابر ۱٫۸ کیلوولت rms
• clearance از اولیه به ثانویه= ۸ میلیمتر
• Clearance از ثانویه ۱ به ثانویه ۲ – ۵٫۵ میلی متر
• فاصله Creepage = 9.2 میلی متر
با توجه به این پارامترها، اندازه برد به راحتی می تواند به سطح ۱۱۰mm x 90mm برسد. طراحی TIDA-00182 TI با استفاده از توپولوژی Flyback و بر اساس ایزولاسیون Reinforced طراحی شده است. شکل زیر این طرح را نشان می دهد.

ایزولاسیون Reinforced – تک ترانسفورماتور
ایزولاسیون Reinforced – تک ترانسفورماتور
فرکانس کاری

فرکانس کاری منبع تغذیه تعیین کننده بازده و اندازه منبع تغذیه است. بعضی توپولوژی ها شبیه Push-Pull برای فرکانس کاری بالا به خاطر طراحی ترانسفورماتور مناسب نیستند. برای فرکانسهای بالاتر از ۴۰۰ کیلوهرتز، توپولوژی Flybuck یا half bridge پیشنهاد می شود. انتخاب فرکانس بالاتر مزایایی دارد در حالی که فقط ایزولاسیون functional نیاز دارد.

ساختار ماژولار

جانمایی ماژول IGBT در درایور و pin-out ماژول های IGBT، نقش مهمی را بازی می کنند. شکل زیر یک مثال از طرح درایو mid-end که شش گیت درایو ایزوله IGBT برای درایو یک ماژول توان استفاده می شود را نشان می دهد. این تصویر نشان می دهد که pinout ماژول IGBT توان به شکلی است که یک ترانسفورماتور برای تغذیه گیت درایو دو IGBT با ایزولاسیون reinforced مورد نیاز است.

 

ساختار ماژولار

 

یک یا چند ترانسفورماتور

استفاده از یک ترانسفورماتور در برابر چند ترانسفورماتور وابسته به نیازمندی های ایزولاسیون مورد نیاز ساختار درایو است. اگر چندین ترانسفورماتور برای تغذیه هر یک از گیت درایور های IGBT ها مورد استفاده قرار گیرند، از یک یا چند کنترل کننده PWM بر اساس توپولوژی انتخاب شده استفاده می کند. توپولوژی Push-Pull و توپولوژی half bridge اجازه می دهد تا چندین ترانسفورماتور به طور موازی برای تولید سطوح ولتاژ مورد نیاز برای تغذیه درایور IGBT های موجود در مرحله قدرت اینورتر بکار رود. توپولوژی Flyback و Flybuck به دلیل عملکرد آنها در طرف ثانویه ترانسفورماتور چنین اجازه ای نمی دهد.

نتیجه گیری

توپولوژی منبع تغذیه درایور گیت به چندین پارامتر بستگی دارد. بر اساس معماری کاربرد درایو، انتخاب متفاوت است. تعداد اجزاء نیز در تصمیم گیری توپولوژی نقش مهمی دارد. توپولوژی Flybuck دارای تعداد کم المان مداری و فیدبک در سمت اولیه است، در حالی که توپولوژی Push-pull با پیکربندی حلقه باز، نیازی به قطعات برای فیدبک ندارد، اما از دو سوئیچ در سمت اولیه استفاده می کند. تمام پارامترها در تکمیل توپولوژي منبع تغذیه برای درایور های گیت کمک می کنند: تعداد ترانسفورماتور (بر اساس ساختار)، موجود بودن تغذیه، نوع ماژول IGBT و نیازمندی های ایزولاسیون.

 

پایان

 

 

منبع:گروه الکترونیک قدرت دانشگاه تهران

برای این مقاله نظر بگذارید:

لطفا دیدگاه خود را بنویسید
لطفا نام خود را وارد کنید